黃河砂卵石地質(zhì)群樁基礎(chǔ)綜合施工技術(shù)研究

張常軒

(中鐵十四局集團(tuán)第三工程有限公司 山東濟(jì)南 250300)

1 工程概況

延(安)延(川)高速公路黃河特大橋，全橋長(zhǎng)1 072 m，主橋5＃、6＃主墩位于山西側(cè)黃河主河道淺灘上，下部結(jié)構(gòu)為左右幅整體式承臺(tái)，群樁基礎(chǔ)，單個(gè)承臺(tái)24根樁基，直徑2.0 m，樁間距4.2 m，樁長(zhǎng)20 m，承臺(tái)尺寸24.2 m ×15.8 m ×5 m，5＃墩墩身高度140 m，6＃墩墩身高度141 m。5＃、6＃主墩樁基布置如圖1所示。

圖1 5＃、6＃主墩樁基布置示意(單位:cm)

2 主要施工方案比選

2.1 圍堰結(jié)構(gòu)形式比選

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)和施工條件，承臺(tái)底設(shè)計(jì)為砂巖地層，砂巖以上為砂卵石地質(zhì)，局部存在孤石。采用鋼板樁[1]圍堰方案存在插打困難或無(wú)法插打到位的風(fēng)險(xiǎn)，且開(kāi)挖后圍堰結(jié)構(gòu)整體性差，需設(shè)置多層圍囹確保結(jié)構(gòu)安全；采用雙壁鋼圍堰[2]方案存在加工、運(yùn)輸、拼裝、下沉等多個(gè)繁雜工序，且施工周期長(zhǎng)；采用鋼筋混凝土沉井[3]方案，沉井預(yù)制所需材料可以借助當(dāng)?shù)卮迕窦扔卸纱D(zhuǎn)運(yùn)至墩位處，采取就地現(xiàn)場(chǎng)澆筑方案施工，可規(guī)避采用鋼板樁或雙壁鋼圍堰方案存在的不足。

經(jīng)綜合考慮和方案比選，5＃、6＃主墩承臺(tái)圍堰選擇鋼筋混凝土沉井方案。

2.2 圍堰與樁基施工先后順序比選

黃河特大橋開(kāi)工時(shí)間為3月份，處于黃河枯水期，可采取先施工樁基后施工圍堰或先施工圍堰后施工樁基兩種方案。若采取先施工樁基后施工圍堰方案，考慮到水中樁基施工期間存在不確定性因素較多，圍堰經(jīng)歷汛期施工的可能性較大，在汛期組織圍堰施工難度大，成本高，且無(wú)法滿(mǎn)足總工期要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，黃河特大橋主橋5＃、6＃主墩均位于山西側(cè)，考慮到山西側(cè)便道無(wú)法滿(mǎn)足大型設(shè)備及材料運(yùn)輸?shù)男枰毥柚M(jìn)場(chǎng)后從陜西側(cè)搭設(shè)的鋼便橋來(lái)組織運(yùn)輸，鋼便橋5月底可搭設(shè)完成并具備通車(chē)條件。若采取先施工圍堰再施工樁基方案，鋼筋混凝土沉井圍堰可以同鋼便橋搭設(shè)同步組織施工，沉井施工所需的砂石料、水泥、鋼筋、模板等材料可借助當(dāng)?shù)匦⌒瓦\(yùn)輸船倒運(yùn)至墩位處。鋼筋混凝土沉井圍堰施工完成后，可在圍堰內(nèi)搭設(shè)的樁基施工平臺(tái)上進(jìn)行樁基施工，使樁基施工免受黃河汛期的影響，可確保施工總工期滿(mǎn)足要求。

經(jīng)綜合考慮和方案比選，采取先施工鋼筋混凝土沉井圍堰，再施工樁基方案。

3 主橋群樁基礎(chǔ)綜合施工技術(shù)

3.1 鋼便橋方案

為解決黃河特大橋山西側(cè)5＃、6＃主墩施工材料運(yùn)輸及施工人員上下班通行的需要，須跨越黃河主河道搭設(shè)一座鋼便橋。主橋4＃墩設(shè)計(jì)為高樁承臺(tái)，緊鄰黃河主河道，需先回填土再組織樁基及承臺(tái)施工?？紤]到在4＃墩承臺(tái)施工完成后會(huì)切斷設(shè)計(jì)橋位至下游的施工便道，須把鋼便橋設(shè)置在黃河特大橋設(shè)計(jì)橋位上游一側(cè)。

鋼便橋長(zhǎng)330 m，兩端均設(shè)置橋臺(tái)，跨徑組合為(12+21×2+12×3+(15×4)×4)m。鋼便橋支撐樁位于黃河主河道位置采用雙排鋼管樁，其他地段采用單排鋼管樁，每4孔設(shè)一處固定墩[4]，采用雙排鋼管樁，每排鋼管樁為3根，采用φ630 mm鋼管。黃河主河道位置為裸巖，無(wú)覆蓋層，鋼管樁插打施工時(shí)無(wú)法入巖，考慮到鋼便橋在黃河汛期及凌期[5]的使用安全，對(duì)鋼便橋位于主河道范圍內(nèi)的支撐樁采用沖擊鉆沖孔[6]后灌注水下混凝土的加固方案，沖孔深度5 m，利用鋼管樁兼作灌注水下混凝土的導(dǎo)管。沖孔施工見(jiàn)圖2。

圖2 鋼管樁沖孔施工

跨黃河主河道位置的鋼便橋跨徑為21 m，搭設(shè)時(shí)需設(shè)置臨時(shí)墩，跨徑為9 m，主跨搭設(shè)完成后再對(duì)臨時(shí)墩進(jìn)行拆除。鋼便橋跨徑布置如圖3所示。

圖3 鋼便橋跨徑布置示意(單位:cm)

3.2 鋼筋混凝土沉井圍堰方案

主橋5＃、6＃主墩墩位處為砂卵石地質(zhì)，局部存在孤石，沉井施工期間處于黃河枯水期，墩位處施工水深在1.3 m左右。沉井采用明挖基坑后現(xiàn)澆方案施工，減少了沉井開(kāi)挖下沉工序施工，可避免預(yù)制沉井下沉過(guò)程中發(fā)生傾斜、開(kāi)裂、下沉困難等問(wèn)題。首先在墩位四周設(shè)置攔水壩，抽干攔水壩范圍內(nèi)的明水，然后開(kāi)挖基坑至巖層頂面，就地現(xiàn)澆施工鋼筋混凝土沉井。施工時(shí)在基底四周設(shè)置集水坑，采用潛水泵抽除基坑內(nèi)積水，確保沉井圍堰混凝土澆筑施工順利進(jìn)行。

沉井圍堰采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上下分三節(jié)，總高度14 m，沉井內(nèi)徑為30 m，底節(jié)外徑為31.6 m，井壁厚度從上到下分別為30 cm、50 cm和80 cm，先施工下面兩節(jié)，預(yù)留頂節(jié)在汛期水位超限時(shí)再接高施工。沉井井壁采用雙層配筋，內(nèi)外層豎向及環(huán)向護(hù)面筋均采用HRB335鋼筋，直徑φ16 mm，間距按照20 cm布置。兩層豎筋之間的支撐筋采用HRB335鋼筋，直徑φ12 mm，按照40 cm間距梅花形布置。沉井結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 沉井結(jié)構(gòu)示意(單位:cm)

3.3 鋼平臺(tái)方案

考慮到5＃、6＃主墩施工安全和現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)面的需要，在5＃、6＃主墩便橋?qū)?yīng)位置各設(shè)置一處施工作業(yè)鋼平臺(tái)[7]，鋼平臺(tái)尺寸為36 m×15 m，一側(cè)與鋼便橋連為一體，另一側(cè)伸入沉井圍堰，距離承臺(tái)混凝土外邊緣1.5 m?？紤]到在施工作業(yè)鋼平臺(tái)上會(huì)出現(xiàn)機(jī)械車(chē)輛調(diào)頭、急停等不利工況，鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。為確保鋼平臺(tái)穩(wěn)定，增強(qiáng)同排鋼管樁基礎(chǔ)的整體性，在鋼管樁四周均設(shè)剪刀撐，剪刀撐采用 20槽鋼與鋼管樁焊接。

鋼平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式與鋼便橋相似，下部結(jié)構(gòu)采用φ630 mm鋼管樁基礎(chǔ)+雙拼 40a工字鋼橫梁，上部結(jié)構(gòu)采用貝雷梁(間距90 cm)+25a工字鋼分配梁(間距75 cm)，橋面系面板采用8 mm厚花紋鋼板，12.6工字鋼作肋梁(間距30 cm)。鋼平臺(tái)布置如圖5所示。

圖5 鋼平臺(tái)布置示意(單位:cm)

3.4 樁基施工作業(yè)平臺(tái)方案

借助鋼護(hù)筒和鋼筋混凝土沉井圍堰組合形成主墩樁基施工作業(yè)鋼平臺(tái)[8]。鋼護(hù)筒高度5.0 m，壁厚10 mm，每個(gè)承臺(tái)24個(gè)鋼護(hù)筒一次安裝到位，護(hù)筒底部利用80 cm厚封底混凝土[9]固定，護(hù)筒頂部縱橫向之間焊接牛腿形成支撐梁，外圍四周鋼護(hù)筒與沉井井壁預(yù)埋鋼板之間焊接支撐梁，在支撐梁上安裝面板，形成樁基施工作業(yè)鋼平臺(tái)。支撐梁采用 30槽鋼，面板采用8 mm厚花紋鋼板，12.6工字鋼作肋梁，間距30 cm。

為解決樁基施工期間鋼護(hù)筒安裝就位、支撐梁焊接和平臺(tái)鋪設(shè)、鉆機(jī)就位和移機(jī)、吊裝鉆頭、鋼筋籠起吊和下籠、水下混凝土灌注等工序施工，在主橋5＃、6＃主墩樁基施工作業(yè)鋼平臺(tái)范圍內(nèi)各設(shè)置1臺(tái)龍門(mén)吊[10]，龍門(mén)吊跨度28.5 m，高度15 m，吊裝能力為20 t。龍門(mén)吊軌道梁采用φ630 mm鋼管樁作為支撐，沉井圍堰范圍內(nèi)的鋼管樁底部固定在封底混凝土頂面，沉井圍堰范圍外的鋼管樁采用振動(dòng)錘插打在砂卵石地層中。在鋼管樁頂部安裝雙拼40a工字鋼作為龍門(mén)吊的軌道梁，軌道梁頂面與鋼平臺(tái)頂面平齊，端部伸入鋼平臺(tái)1 m。在軌道梁工字鋼上面安裝龍門(mén)吊行走軌道，行走軌道兩端均設(shè)置限位裝置，以確保龍門(mén)吊運(yùn)行安全。行走軌道的限位裝置固定在軌道梁上，可采取焊接方式進(jìn)行固定。樁基施工作業(yè)鋼平臺(tái)如圖6所示。

圖6 樁基作業(yè)鋼平臺(tái)示意

在沉井井壁混凝土頂面預(yù)埋鋼板，將龍門(mén)吊軌道梁的支撐鋼管樁用雙拼 30槽鋼焊接并支撐在沉井井壁混凝土頂面預(yù)埋的鋼板上，支撐鋼管樁底部與鋼護(hù)筒及沉井井壁之間同樣采用焊接雙拼 30槽鋼支撐梁進(jìn)行加固，以增強(qiáng)龍門(mén)吊軌道梁支撐鋼管樁的穩(wěn)定性。

3.5 樁基施工組織順序

樁基施工采用沖擊鉆沖擊成孔工藝。每個(gè)承臺(tái)24根樁基，分3個(gè)循環(huán)施工完成。第1循環(huán)和第2循環(huán)各布置9臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)施工，其中6臺(tái)鉆機(jī)布置在圍堰內(nèi)搭設(shè)的樁基施工作業(yè)鋼平臺(tái)上，3臺(tái)鉆機(jī)布置在沉井圍堰頂面搭設(shè)的臨時(shí)施工作業(yè)平臺(tái)上，形成雙層平臺(tái)同步作業(yè)。第3個(gè)循環(huán)安排6臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)施工，鉆機(jī)均布置在圍堰內(nèi)搭設(shè)的樁基施工作業(yè)鋼平臺(tái)上。每個(gè)循環(huán)鉆機(jī)布置情況如圖7所示。

圖7 鉆機(jī)布置示意

3.6 樁基涌水、漏漿處理方案

黃河特大橋5＃、6＃主墩樁基采用沖擊鉆工藝成孔，在沖孔施工至河床頂面以下5 m左右時(shí)發(fā)生孔內(nèi)涌水[11]現(xiàn)象，涌水迅速稀釋了護(hù)筒內(nèi)的泥漿；在沖孔施工至河床頂面以下15 m左右時(shí)發(fā)生孔底漏漿[12]現(xiàn)象，致使孔內(nèi)泥漿全部流失。樁基沖孔施工發(fā)生涌水、漏漿現(xiàn)象后，孔內(nèi)泥漿水頭和泥漿比重均無(wú)法保持在正常指標(biāo)范圍內(nèi)，使孔內(nèi)泥漿無(wú)法形成正常循環(huán)，造成樁基沖孔施工無(wú)法正常組織作業(yè)。

針對(duì)5＃、6＃主墩樁基在沖孔施工過(guò)程中出現(xiàn)的涌水、漏漿等問(wèn)題，采取在出現(xiàn)涌水、漏漿部位填充片石、黏土、水泥、鋸末等混合物[13]，填充高度高于涌水、漏漿部位3 m以上，經(jīng)沉淀后重新沖孔。在沖孔過(guò)程中適當(dāng)加大泥漿比重，并采取來(lái)回反復(fù)操作，確保泥漿護(hù)壁在清孔過(guò)程中有足夠的強(qiáng)度，不再發(fā)生涌水、漏漿現(xiàn)象。同時(shí)，在樁基沖孔施工過(guò)程中，通過(guò)摻加膨潤(rùn)土、木質(zhì)素[14]等材料來(lái)改善泥漿性能，保證了主墩混凝土灌注樁的施工質(zhì)量，經(jīng)檢測(cè)均為Ⅰ類(lèi)樁。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)黃河特大橋群樁基礎(chǔ)綜合施工技術(shù)的研究和施工實(shí)踐，成功解決了黃河主河道砂卵石地質(zhì)條件下群樁基礎(chǔ)施工中遇到的各種難題，為類(lèi)似工程施工提供借鑒。

(1)結(jié)合黃河特大橋主橋主墩的實(shí)際地質(zhì)情況和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，主橋群樁基礎(chǔ)施工的圍堰采用鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)，明挖基坑現(xiàn)場(chǎng)就地澆筑，避免了施工風(fēng)險(xiǎn)較大的沉井開(kāi)挖下沉工序施工。

(2)借助鋼護(hù)筒和鋼筋混凝土沉井圍堰搭設(shè)樁基施工作業(yè)鋼平臺(tái)，確保了在黃河汛期樁基能夠正常施工，且施工總工期滿(mǎn)足要求。

(3)通過(guò)在樁基施工作業(yè)鋼平臺(tái)范圍內(nèi)設(shè)置1臺(tái)20 t龍門(mén)吊，解決了在樁基施工期間的各種吊裝作業(yè)需求，避免了在沉井圍堰四周均需設(shè)置施工作業(yè)平臺(tái)的弊端，節(jié)省了施工成本。

(4)合理利用雙層施工作業(yè)鋼平臺(tái)，優(yōu)化主墩樁基施工組織順序，分別通過(guò)3個(gè)循環(huán)順利完成了每個(gè)主墩24根樁基的施工任務(wù)，縮短了施工工期，確保了施工總工期滿(mǎn)足要求。

(5)研究制定合理的施工處理方案，成功解決了樁基沖孔過(guò)程中遇到的涌水、漏漿問(wèn)題，確保了群樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量。